需要測量流量的氣體種類繁多，最常見的空氣、城市煤氣、天然氣和組分變化的氣體。可用來測量氣體流量的儀表種類繁多，本節(jié)結(jié)合四種典型氣體重點討論差壓式(含均速管)、渦街式、旋進(jìn)渦街式、超聲式、氣體渦輪、氣體腰輪式流量計的應(yīng)用。
3.2.1壓縮空氣流量測量
壓縮空氣是企事業(yè)單位重要的二次能源，大多由電能或熱能經(jīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化而來。當(dāng)空氣壓力值要求較低時，則由鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生。對由大量能源轉(zhuǎn)化而來的工質(zhì)進(jìn)行管理，以收到節(jié)約能源和提高設(shè)備管理水平的效果，是壓縮空氣流量計量的主要目的。
在化工等生產(chǎn)過程中，有一種重要的工藝過程氧化反應(yīng)，它是以空氣作原料，和另外某種原料在規(guī)定的條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。空氣質(zhì)量流量過大和過小，都會對安全生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和貴重原料的消耗產(chǎn)生關(guān)鍵影響。在這種情況下，空氣流量測量精確度要求特別高，多半還配有自動調(diào)節(jié)。
鍋爐和各種工業(yè)爐窖中的燃燒過程，其本質(zhì)也是氧化反應(yīng)，對助燃空氣流量的測量，雖然準(zhǔn)確度要求不像化工生產(chǎn)中的氧化反應(yīng)那樣高，但對環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)燃燒、節(jié)約燃料也有重要意義。
(1)空氣流量測量的特點
①振動大。并非每一臺空氣流量計都安裝在振動大的場所。但是安裝在壓縮廠房和鼓風(fēng)機(jī)房的空氣流量計都得考慮振動問題。這種振動主要來自壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)，機(jī)器的振動通過空氣管道或風(fēng)管可以傳到很遠(yuǎn)的地方。其中振動最大的要數(shù)往復(fù)式壓縮機(jī)，大型往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的振動往往帶動廠房和周圍地面一起振動，對相關(guān)空氣流量計的準(zhǔn)確而可靠的運(yùn)行帶來威脅。它引發(fā)杠桿式差壓變送器支點移動而使儀表產(chǎn)生示值漂移。振動導(dǎo)致渦街流量傳感器產(chǎn)生同振動頻率相對應(yīng)的干擾信號，引起流量示值大幅度偏高。
②氣體帶水。壓縮空氣取自大氣，而大氣中總是含有一定數(shù)量的水蒸氣。水蒸氣的含量用水蒸汽分壓ps表示。大氣中的水蒸氣飽和分壓是大氣溫度的函數(shù)(見表3.4)。在雨天和霧天，室外大氣中的水蒸氣分壓達(dá)到飽和程度，即相對濕度達(dá)到100％，這時將大氣壓縮就如同壓迫吸足水的海綿，隨著體積的縮小，就有相應(yīng)數(shù)量的水析出。這是壓縮空氣所以帶水的簡單原理。在晴好的天氣，大氣相對濕度較低，但隨著其被壓縮，體積縮小到原來的幾分之一后，水蒸氣分壓會相應(yīng)升高，也有可能進(jìn)入飽和狀態(tài)而析出水滴。
表3.4 空氣中水分飽和含量
| 空氣溫度t/℃ |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
飽和水蒸氣壓力ps/kPa |
0.6080 |
1.2258 |
2.3340 |
4.2463 |
7.3746 |
12.337 |
|
飽和水蒸氣密度р/(kg/m3) |
0.0048 |
0.0094 |
0.0173 |
0.0304 |
0.0512 |
0.083 |
用來測量壓縮空氣流量的較大口徑孔板流量計，孔板前常有積水，要影響測量準(zhǔn)確度。引壓管線中常有一段水，導(dǎo)致差壓變送器測到的差壓同節(jié)流裝置所產(chǎn)生的差壓不一致。這些都是空氣帶水引起誤差的常見原因。除此之外，由于城區(qū)大氣中氮氧化物含量較高，使得壓縮空氣所含水滴呈酸性，引起環(huán)室表面腐蝕、管道內(nèi)壁腐蝕，使其表面變得粗糙。腐蝕產(chǎn)生的氧化鐵在一定條件下變干燥時，很容易從管內(nèi)壁脫落而被氣流帶到孔板前，這也會對流量示值產(chǎn)生影響。所以在停車檢修時，應(yīng)將這些粉狀和塊狀的垃圾予以清除。
③脈動流。壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)出口流體多數(shù)包含一定的脈動。例如往復(fù)式壓縮機(jī)，表現(xiàn)為半波脈動，如圖3.13所示。在現(xiàn)場可觀察到壓縮機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)的出口壓力有明顯擺動。其中正(定)排量鼓風(fēng)機(jī)出口脈動頻率較高，一般有幾十赫茲，而往復(fù)式壓縮機(jī)出口脈動頻率較低，一般為幾赫茲。流動脈動引起差壓式流量計、渦街流量計等多種流量計示值偏高，引起浮子式流量計中的浮子上下跳動。消除和減弱流動脈動對流量計示值影響的常用方法有兩個，一是在壓縮機(jī)出口設(shè)置一只緩沖罐濾除脈動，而將流量計安裝在緩沖后面。實際上往復(fù)式壓縮機(jī)的的系統(tǒng)都是這樣設(shè)計的；二是將流量計安裝在遠(yuǎn)離脈動源的地方，這樣可利用工藝管道的氣容同其管阻構(gòu)成低通濾波器衰減脈動。
流動脈動典型波形
(2)儀表選型 能夠用來測量空氣流量的儀表有多種，但是在現(xiàn)場實際使用的空氣流量計，按其原理分，種類并不多。最主要的有玻璃浮子流量計、節(jié)流式差壓流量計、渦街流量計和均速管流量計等。
①浮子流量計。 浮子流量計在中型和小型實驗裝置上使用很廣泛，這是因為浮子式流量計簡單、直觀、價格低廉，適合作一般指示。浮子流量計有玻璃錐管型和金屬錐管型兩大類，玻璃錐管型的不足之處是耐壓不高和玻璃錐管易碎，另外，流體溫度壓力對示值影響大。一般可根據(jù)流體實際溫度和壓力按式(3.28)進(jìn)行人工換算。式中由于引入рn,在被測氣體不為空氣時，也可利用該公式進(jìn)行換算。
qv――實際體積流量，Nm3/h；
qvf――儀表示值，m3/h；
ρn――被測氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/Nm3；
ρa(bǔ)n――空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg/Nm3；
Tn、Pn――氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力；
Tf、Pf――氣體在工作狀態(tài)下的絕對溫度、絕對壓力。
②節(jié)流式差壓流量計。節(jié)流式差壓流量計在空氣流量測量中有著悠久的歷史。在新穎流量計大量涌現(xiàn)的形勢下，節(jié)流式差壓流量計盡管有范圍度窄，安裝維護(hù)麻煩以及壓力損失大等重大缺點，但在振動較明顯的壓縮機(jī)房、鼓風(fēng)機(jī)房，它仍然是可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)的首選儀表。
用節(jié)流式差壓流量計測量空氣流量最重要的是要處理好節(jié)流件前積水、變送器高低亞室內(nèi)積水以及引壓管線中積水問題。
a.節(jié)流件前積水問題。解決節(jié)流件前積水最簡單的方法是節(jié)流件的下部開疏液孔。但是空氣管道不像蒸汽管道那樣清潔。在蒸汽管道中因為與管道內(nèi)壁接觸的是水蒸氣，而水蒸氣在發(fā)生過程中一般都經(jīng)過除氧工序，因此蒸汽中基本不含氧，經(jīng)長期使用的蒸汽管，其內(nèi)壁可能僅沉積微量的灰色粉末，除此之外不會有鐵銹。而空氣管道內(nèi)則全然不同，灰塵和氧化鐵難以避免，有時疏液孔被堵死。在停車檢修時拆下節(jié)流裝置，發(fā)現(xiàn)節(jié)流件正端平面上有積水的痕跡，就是證據(jù)。
徹底消除節(jié)流件前積水的方法是將節(jié)流裝置安裝在垂直工藝管上，或改用圓缺孔板或偏心孔板。其中，偏心孔板不確定度較小，優(yōu)于圓缺孔板。
b.差壓變送器高低壓室內(nèi)積水問題。圖3.14(a)所示是典型的節(jié)流式差壓流量計信號管路安裝圖，在被測流體為濕氣體時，冷凝液理應(yīng)不會進(jìn)入差壓變送器高低壓室，但從現(xiàn)場反饋信息來看，實際情況是有時還會有微量水滴進(jìn)入高低壓室，。變送器差壓范圍較低時，此微量水滴會引起儀表零點的明顯漂移。有些差壓變送器設(shè)計有兩個排放口，打開下排放口就可將凝液順利排出。但是早期變送器只有中部的一只排放口，打開此口無法將高低壓室內(nèi)的凝液排凈，最后只得將變送器拆下，將凝液沖信號輸入口中傾倒出來。 高低壓室內(nèi)積液的現(xiàn)象，經(jīng)進(jìn)一步分析，應(yīng)該是變送器上方的一段管路由于環(huán)境溫度變化將信號管中的水蒸氣冷凝而沿著信號管往下流入高低壓室。
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